智能天線技術(shù)MIMO在廣域無線網(wǎng)絡中的應用分析

廣域無線網(wǎng)絡運營商們正越來越多地涉足移動寬帶接入和豐富多媒體業(yè)務，這些業(yè)務對無線網(wǎng)絡提出了極大的挑戰(zhàn)，運營商需要對網(wǎng)絡容量、用戶數(shù)據(jù)速率、距離和覆蓋質(zhì)量做較大的改進，而多輸入多輸出(MIMO)智能天線技術(shù)提供的潛在性能增益能夠有效地解決這些挑戰(zhàn)。

廣域無線網(wǎng)絡運營商們正越來越多地采用移動寬帶接入策略和豐富多媒體業(yè)務策略，這些策略對他們的無線網(wǎng)絡提出了極大的挑戰(zhàn)。為了建立和維持贏利的商業(yè)模型，需要對網(wǎng)絡容量、用戶數(shù)據(jù)速率、距離和覆蓋質(zhì)量做較大的改進。運營商對MIMO等智能天線技術(shù)提供的潛在性能增益的興趣越來越大，因為這些技術(shù)能夠滿足這些挑戰(zhàn)，從而帶來網(wǎng)絡的發(fā)展。在無線局域網(wǎng)(WLAN)領域已有實際應用的MIMO以及近來客戶端設備技術(shù)的不斷進步將促進廣域網(wǎng)中MIMO應用的普及。

促使MIMO在局域網(wǎng)領域取得成功的許多局域網(wǎng)固有特性與廣域網(wǎng)環(huán)境有著很大的區(qū)別，因此我們必須謹慎地對待這種在不同應用中的轉(zhuǎn)變。在下面對廣域網(wǎng)MIMO應用的簡要說明中，我們將重點突出干擾和有限散射特性，這二者是最重要的區(qū)別，也是實現(xiàn)中需要著重考慮的因素。對無線運營商來說有個好消息，即在廣域網(wǎng)中確實可以實現(xiàn)MIMO的大部分理論增益，條件是采用具有網(wǎng)絡意識(network-aware)的解決方案，這樣的方案能夠減少多蜂窩環(huán)境中的干擾，并保持受限散射條件下的運行穩(wěn)定性。另外值得注意的是，由于無需對現(xiàn)有無線協(xié)議作任何修改就能獲得這些性能增益，因此廣域網(wǎng)中的MIMO要比一般想象的更容易實現(xiàn)。

圖1：在基站(BS)和客戶設備(CD)之間具有兩條主導傳播路徑的無線信道，如圖中箭頭所示，該信道疊加在基站標稱的120扇區(qū)傳送圖案上

定義MIMO技術(shù)

由于用戶端設備對成本具有較大的敏感性，因此在目前商業(yè)廣域網(wǎng)中的智能天線配置只是在鏈路的基站側(cè)使用多幅天線，而客戶端設備只有一幅天線。隨著改善廣域網(wǎng)經(jīng)濟的壓力不斷增大，以及客戶端設備芯片集成度提高，以及對客戶端增加智能天線處理的邊緣成本的降低，運營商對在鏈路兩端都使用智能天線的解決方案興趣也越來越大。

兩端同時用多幅天線將可以采用許多新的傳輸技術(shù)，這些技術(shù)在僅單端使用多幅天線的系統(tǒng)中是不可行的，在大多數(shù)情況下應用這些技術(shù)將提供更多的系統(tǒng)性能增益。

業(yè)界對智能天線的討論，包括對用于各種不同實現(xiàn)中的術(shù)語有完全不同的定義，因此有必要簡要介紹分類適用方法。先來看最簡單的例子，考慮在鏈路的每端都只有一幅天線的某個系統(tǒng)，雖然信號向所有方向(一般在120扇區(qū)內(nèi))發(fā)送，但某個具體的無線信道可能只有兩條主導路徑，如圖1 所示。本文所示例子是一個高位基站與一個路面的低位移動手機(更廣泛地說是“客戶設備”，因為有可能是移動計算平臺)之間的通信，大部分接收信號來自于鄰近建筑物的反射。這是一個單輸入單輸出(SISO)的信道。[注：在無線通信領域中所說的術(shù)語“輸入”和“輸出”是針對信道本身而言的，并非以信道兩端的設備為參考]

本文討論的是最簡單的，也是目前最常見的智能天線。如果接收器有一幅以上的天線，那么它能智能地組合來自不同天線接收到的信號，并識別出信號確實是來自兩個主要方向。它具有這個功能的原因是因為兩條路徑有不同的空間特性(spatial characteristic)或不同的空間特征(spatial signature)。由于接收器能識別這兩種不同的空間特征，因此它能組合來自兩個天線的信號，并將二者累加起來形成更強的組合信號。這種方式被稱為單輸入[到信道1]多輸出[自信道1](或SIMO)方式，這就是有名的接收器分集方案。接收分集技術(shù)被廣泛用于2G和現(xiàn)在的3G蜂窩網(wǎng)絡的鏈路基站側(cè)。

反過來，如果發(fā)送器有多幅天線，而接收器只有一幅天線，信號將仍沿相同的路徑傳播，因為物理環(huán)境沒變(建筑物仍在那兒)。這種傳播方式稱為多輸入單輸出(MISO)方式。與SIMO相比，MISO的最大不同在于信號組合必須在發(fā)送端完成，而不是在接收端。通過仔細調(diào)整發(fā)送天線，兩條路徑能夠以與SIMO相同的方式完成疊加。這種方法被廣泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的基站側(cè)有多幅用于接收 (工作在SIMO模式)和發(fā)送(工作在MISO模式)的天線。

在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，如圖2所示。發(fā)送器可以通過調(diào)整它的天線以讓圖2中藍色所示的信息流沿第一條路徑(也就是空間特征)發(fā)送，而橙色所示的另外一條信息流沿另一條路徑發(fā)送。因為接收器也有多幅天線，因此它可以通過檢測不同的空間特征把兩條流分開來。在這種情況下，發(fā)送器可以發(fā)送兩個完全不同的數(shù)據(jù)流，從用戶看來相當于將數(shù)據(jù)速率提高了一倍。與單獨的 MISO或SIMO處理相比，這種方式在最佳狀態(tài)下具有材料上的優(yōu)勢，這種MIMO優(yōu)勢的取得不需要增加額外的帶寬和功率。一般會降低單天線鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會提高信道效率和質(zhì)量。

MIMO系統(tǒng)能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環(huán)境中存在這些空間維數(shù)，對這一點的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線，但只有兩條主導路徑。在這種情況下即使有4幅天線也只能形成兩條數(shù)據(jù)流。因此MIMO性能與系統(tǒng)應用環(huán)境中多徑的豐富程度密切相關。幸運的是，在許多環(huán)境中存在足夠多支持多個并行數(shù)據(jù)流的散射和多徑傳播。

信息理論的研究表明，如果鏈路兩端都使用多幅天線，那么代表了數(shù)據(jù)速率上限的系統(tǒng)容量將隨天線數(shù)量的增加而呈線性增長(在確定的信道前提下，并保持整體功率不變)。具有相同數(shù)量發(fā)送和接收天線的不同MIMO系統(tǒng)的理論容量如圖3所示，88 MIMO系統(tǒng)(即鏈路的每端有8幅天線)的容量最多可以達到單天線系統(tǒng)容量的8倍。考慮所有的網(wǎng)絡的運營和資本開支，MIMO技術(shù)提供的性能和經(jīng)濟效益要比單天線系統(tǒng)高出許多。特別是對于高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務，比如真正的寬帶接入、IPTV和大型文件傳輸，在這些應用中受限的帶寬會引起嚴重的問題，而MIMO 技術(shù)則是很有前途的一種解決方案。

圖2：具有兩個主導傳播路徑的通信信道在MIMO方式下可以使用戶數(shù)據(jù)速率加倍。值得注意的是，多天線處理可以完成波束整形，從而使信號沿著感興趣的信道傳播，而另外一個主導信道上不傳信號

圖3的預測值只表征了理想系統(tǒng)的性能極限。信息理論對如何達到這些極限值沒有提供太多的實用性指導意見，實際系統(tǒng)面臨著如何充分利用信道提供的空間維度的挑戰(zhàn)。大體上有三種主要推薦的信道利用方法，前兩種方法著重單條鏈路的性能，第三種著重整個網(wǎng)絡性能：

1. 提高數(shù)據(jù)速率

上文討論的技術(shù)(如圖2中所示)通常稱為空間復用。對于有豐富散射環(huán)境的信道來說，通過在每幅天線上發(fā)送獨立的信息流可以提高數(shù)據(jù)速率，使用較為成熟的接收器技術(shù)可以將不同的數(shù)據(jù)流分離開來并進行單獨解碼。例如使用4幅發(fā)送和4幅接收天線的系統(tǒng)容量將達到單天線系統(tǒng)的4倍。

2. 通過分集技術(shù)改善服務質(zhì)量

相反，如果在多幅天線多個符號(symbol)上發(fā)送相同的信號，那么就可以改善傳輸?shù)目煽啃裕皇翘岣邤?shù)據(jù)速率。實際上在不同天線和不同時間點發(fā)送多份信號拷貝的這種技術(shù)提供了空間-時間的分集。同時在空間和時間上傳播或編碼信息符號的技術(shù)被稱為空間-時間編碼技術(shù)。

3. 通過減輕干擾獲得更高的數(shù)據(jù)速率和更好的服務質(zhì)量

MIMO系統(tǒng)中利用空間維度的另外一種適合更多干擾環(huán)境的方法是優(yōu)化整個系統(tǒng)中的射頻能量分布，盡量減少網(wǎng)絡中共信道干擾的產(chǎn)生和敏感度。本文最后部分將詳細討論這種方法。利用更高的SINR(更高的SINR可實現(xiàn)更高的調(diào)制等級，因此鏈路可達到更高的數(shù)據(jù)速率)和經(jīng)典分集 (可增加鏈路穩(wěn)定性)，這種方案可以提供更高的數(shù)據(jù)速率和更具魯棒性的鏈路。就像在MISO系統(tǒng)中，基站用多個空間信道來實現(xiàn)客戶設備一致的組合能量那樣，這些信道被客戶端用來改善這些空間'方向'中的有效靈敏度(像SIMO系統(tǒng)那樣)，降低基站發(fā)送所需的功率。相反的過程在上行鏈路上完成。基站和客戶設備通過自動一致地運行降低系統(tǒng)中的干擾水平。就像后文所要討論的那樣，整個網(wǎng)絡性能是廣域網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵方面，而降低干擾是提高寬帶網(wǎng)絡性能的主要驅(qū)動力。

全球的研究實驗室業(yè)已證明MIMO技術(shù)在早期的無線局域網(wǎng)應用中的實際可行性，其系統(tǒng)容量非常接近實驗室中同時使用空間復用和空間-時間編碼技術(shù)所能達到的理論預測值。由于在最初應用中獲得了巨大性能增益，MIMO技術(shù)很快走出實驗室，并應用于實際的WLAN產(chǎn)品中。

MIMO早期在WiFi上取得的成功

宣傳最多的MIMO實現(xiàn)是在固定的無線局域網(wǎng)環(huán)境中，在這種環(huán)境中MIMO的最大好處是提高了單個用戶設備的吞吐量。特別是家庭和企業(yè)級WLAN所具有的多個特性使它們成為最早采納MIMO的理想候選網(wǎng)絡，這些特性包括：

1. 豐富的散射

大多數(shù)WiFi系統(tǒng)都處在有大量散射條件的環(huán)境中，如室內(nèi)或密集的城市建筑物間。在這些環(huán)境中通常有多條傳播路徑或空間維度可用來形成多個流。事實上，室內(nèi)環(huán)境與獲得圖3所示的容量隨天線數(shù)量增加而呈線性增長所需的條件非常相似。

2. 獨立部署

獲得快速部署的一個重要因素是WiFi設備通常是最終用戶自己購買的，并且在他們自己的網(wǎng)絡中是獨立部署的。不同MIMO WiFi解決方案的互操作性并不成問題，就像IEEE 802.11n產(chǎn)品在公共MIMO標準獲得一致意見之前取得成功所表明的那樣，允許快速部署MIMO技術(shù)，不需要等到標準的統(tǒng)一。

3. 有限的干擾

同樣關鍵的是WiFi環(huán)境非常接近研究MIMO技術(shù)的理論假設。由于WiFi網(wǎng)絡的短距離和動態(tài)信道分配特性，MIMO接收器一般工作時沒有很大的共信道干擾。如果工作在沒有補償?shù)墓残诺栏蓴_環(huán)境中，這些解決方案的性能會很快下降。

MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潛在性能改善是真實的。從實驗室結(jié)果到實際的WiFi產(chǎn)品只用了短短幾年的時間，這一事實對廣域網(wǎng)無線網(wǎng)絡運營商來說意味著再次取得成功的機會非常大。

廣域網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)

使MIMO在WiFi產(chǎn)品中得到成功應用的性能優(yōu)勢同樣使MIMO成為廣域無線移動環(huán)境中的一種可能的技術(shù)選擇。然而，移動、多蜂窩環(huán)境與WiFi射頻環(huán)境在某些方面有本質(zhì)的區(qū)別，因此移動環(huán)境面臨諸多配置方面的挑戰(zhàn)。

1. 干擾

由于采用密集的和大蜂窩部署方式，廣域環(huán)境中的干擾特別嚴重。在這種環(huán)境中，干擾抑制和大吞吐量性能都是必需的。因此，為了將MIMO在WLAN的成功應用經(jīng)驗推廣到廣域網(wǎng)和移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務，必須采用新的MIMO解決方案，并且要兼顧干擾和數(shù)據(jù)速率。

2. 有限散射

在某些情況下，廣域散射環(huán)境只能有一條或兩條主導路徑。例如，如果是視距(LOS)傳播，那么就只有一條主導傳播路徑，也就限制了空間復用技術(shù)的使用。

3. 互操作性

在廣域網(wǎng)絡中，所有用戶都需要無縫地通過大型網(wǎng)絡(跨越地區(qū)和運營商)與基站進行通信，因此必須支持互操作性。像上述使用空間復用或空間-時間編碼技術(shù)的解決方案需要修改協(xié)議，因此會極大地增加廣域網(wǎng)中的MIMO解決方案產(chǎn)品的面市時間。例如，接收器需要知道發(fā)送器使用的空間 -時間代碼才能正確地對數(shù)據(jù)解碼。將MIMO納入移動系統(tǒng)的工作已經(jīng)在多個標準化組織中展開，比如IEEE 802.16e標準，但具有魯棒性的商用產(chǎn)品仍需相當一段時間才能正式上市。

這些因素使得在廣域網(wǎng)中采用MIMO會比WiFi面臨更多的挑戰(zhàn)，需要采用能夠解決大型多蜂窩網(wǎng)絡特有屬性的新解決方案。MIMO在廣域網(wǎng)中的成功實現(xiàn)將取決于下面兩個關鍵屬性：

干擾抑制。在廣域網(wǎng)中為了減少干擾，至少要部分使用通過鏈路兩端的天線陣列獲得的更多自由度。與只在單端進行干擾抑制的系統(tǒng)相比，在發(fā)送器和接收器端同時進行干擾抑制可以顯著地減少網(wǎng)絡干擾。

魯棒性解決方案。需要開發(fā)出能夠解決主導傳播路徑數(shù)量有限的方案，即使在有限散射的信道中，通過發(fā)送器和接收器端組合信號仍可以獲得顯著的性能增益。最近的研究表明，即使是只有一條主導傳播路徑的信道(也稱為鎖眼信道，key-hole channel)，在鏈路兩端同時使用智能天線技術(shù)仍能獲得可觀的性能增益。

用于廣域網(wǎng)的MIMO

不需要修改已有協(xié)議，也不用等到新協(xié)議完成就能在現(xiàn)有廣域網(wǎng)中獲得顯著的MIMO增益?；静捎米赃m應陣列處理技術(shù)、移動終端采用類似處理技術(shù)即可獲得明顯的性能改善，這就是上文提到的第三種基本MIMO方法。事實上，理論研究也指出，這是在廣域網(wǎng)中最常見的多信道條件下所采取的最佳方法。同時增強信號強度和干擾抑制性能對推進廣域網(wǎng)的發(fā)展、支持運營商越來越高的帶寬和多媒體業(yè)務目標顯得尤為重要。

下面介紹能夠平衡干擾抑制和吞吐量的解決方案。基站通過計算天線陣列的組合權(quán)重盡量減少基站方面的干擾。同樣，移動終端使用它的天線陣列減少手機方面的干擾。由于在基站或客戶設備上都不需要特殊的鏈路編碼，因此MIMO處理的實現(xiàn)和操作可以完全獨立于每個設備。結(jié)果將形成一個自組織和自優(yōu)化的系統(tǒng)，它能連續(xù)適應變化的干擾環(huán)境和用戶不斷變化的業(yè)務需求。由于這種MIMO方法中鏈路兩端設備是互相獨立的，因此即使在不同種類網(wǎng)絡或正在升級變化中的網(wǎng)絡(不是所有基站和客戶設備都裝備有多幅天線的網(wǎng)絡)條件下也能提供優(yōu)異的性能。單天線終端可以使用SIMO(發(fā)送中)或MISO (接收中)信道簡單地加入這樣的網(wǎng)格，并與多天線終端一起工作。這種干擾最小化MIMO技術(shù)所帶來的總體網(wǎng)絡性能將隨著系統(tǒng)中多天線設備的增多而日益增強。

本文小結(jié)

MIMO技術(shù)提供的性能增益為推動無線通信的下一步發(fā)展提供了極具前景的動力。為WiFi市場和廣域網(wǎng)提供性能增強的 MIMO設備不久就會上市。然而，廣域移動無線系統(tǒng)中的射頻環(huán)境與WiFi完全不同，干擾是最大的挑戰(zhàn)。幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)有了基于自適應天線處理技術(shù)的廣域網(wǎng)MIMO解決方案，能夠在單天線系統(tǒng)中提供巨大的性能增益。這些解決方案通過多幅天線和信道內(nèi)部固有的空間維數(shù)可以完全滿足干擾和吞吐量要求。而且大部分增益性能可以在不修改協(xié)議的條件下實現(xiàn)，相信在不遠的將來這些解決方案很快會得到廣泛應用。因此，廣域MIMO應用可能要比想象的更容易實現(xiàn)。